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地幔对流研究的一些新进展 石耀霖,2001 地球科学进展 1　引　言 在地球演化的历史中，重力位能和地热能二者发挥着主导的作用。 重力位能，驱动地球内部核幔重力分异、夷平地表、形成圈层、使地球趋于稳定平衡状态。 以热能为主要形态的分子内能，则打破平衡、形成对流、得以穿透圈层和推动岩石层构造运动，造成种种形态的地球动力过程。 它们构成了吸引和排斥一对矛盾，而热是矛盾对立面中的最积极最活跃的因素。 1　引　言 究竟是全地幔对流还是分层地幔对流仍是学术界争论的一个焦点。 地震学、地球动力学研究倾向于全地幔对流模型。地球化学研究则支持分层地幔对流。 为了协调二者的矛盾，人们提出了一些其它混合类模型，例如拉瓦灯模型等。 2　全地幔对流和分层地幔对流 地球动力学计算考虑随深度变化的粘滞性、相变、内核产热、板块与地幔对流的耦合效应等条件，计算模拟真实地球模型时间相关的对流过程。计算表明，如果660km界面是化学成分差别，从而造成密度差别达2%以上，则俯冲板片不能穿透该界面，对流将是分层的；但如果是相变界面，且相变的克拉柏龙（Clapeyron）斜率不够大，则虽然可能造成一定时间的阻滞，但最终俯冲板片可以穿透该界面，对流将囊括下地幔。 高温高压研究表明了660km界面的相变性质。地震学观测，从早期走时残差——层析成像——转换波研究，均支持660 km界面是可以被俯冲板片穿透的，也证实了有些地幔柱的确是从核幔边界上涌而抵达岩石圈的。 2　全地幔对流和分层地幔对流 地球化学的证据强烈要求分层地幔对流的存在。 大洋中脊（MORB）、火山岛弧、大洋海岛玄武岩（OIB）和大陆溢流玄武岩等，尽管它们位于不同板块内，水平距离相差数千公里，但同类熔岩的同位素特征（如87Sr/86Sr，143Nd/144Nd)具有显著的相似性，不同类岩石则显著不同。在亲石痕量元素、耐熔放射性元素及一定程度上主要元素组成上也有类似规律。 这一规律性最简单的解释，就是地幔存在起码两个以上化学成分不同的源区：亏损了的地幔和未亏损的地幔。后者代表着原始的成分。而在部分地幔物质分异形成大陆的过程中，形成了亏损了亲石元素和排除了气体的上地幔。大洋中脊玄武岩源区的地幔是排除了气体的上地幔，亲石元素、稀土元素、放射性元素K、U、Tu彻底亏损，这些元素富集于大陆地壳。 来自两个不同源区的熔岩在穿透至地表过程中又可能被上覆岩层污染，这样大致可以解释观测到的不同类别的熔岩地球化学特征。 2　全地幔对流和分层地幔对流 地球化学定性模型无法精确估计亏损和未亏损地幔的比例，也不能约束未亏损地幔的界面地形和深度。 界面究竟在哪里以及是什么形态的，必须综合考虑其它学科的研究成果。 传统上将界面放在660km，该界面是地震学发现的上下地幔最突出相变引起弹性变化的界面，而上地幔体积约占地幔1/3，也似乎处于地球化学推测的合理范围之内。因此，以660km为界，分成上下地幔对流就是一种合理的推论。 3　不利于660km分层对流的证据 矿物高压实验和地震观测表明660km从尖晶石向钙钛矿相变时放热，这样俯冲的温度较低的板片要在深于660km时才会发生相变，同一深度周围已相变地幔物质密度较大，对俯冲板片会有阻滞作用。然而，由于相变的克拉柏龙斜率太小，不足以持久地阻止板片穿透。 3　不利于660km分层对流的证据 如果化学成分差别使下地幔密度比上地幔大2%以上，可形成分层对流，但矿物学和地震学没有表明存在这种差别的证据。 早期人们可以对俯冲板片追踪到1000km或更深。而且随着层析技术的发展和分辨率的提高，现在人们认为已经发现了更古老的俯冲下去的板片，有些过去2亿年前的俯冲板片，现在被认为已经到达了下地幔。 3　不利于660km分层对流的证据 层析成像表明660km界面可以使俯冲板片运动轨迹发生畸变，但数值计算和模拟实验表明这种畸变不能长期持续而造成分层对流。这种局部和暂态的分层仅会影响板块相对运动状态(如海沟后撤和弧后扩张)和俯冲板片形态。 如果是在660km上下形成分层地幔对流,沿该界面两侧会发育热边界层,双层地幔对流传递热的效率远远低于全地幔对流。下地幔温度会升高,粘滞性会降低。然而,利用冰川后回弹和大地水准面资料计算出的下地幔粘滞性模型,不支持低粘滞性的下地幔。按分层对流推测的核幔边界温度，也大大高于高压实验确定的铁的熔点,以上证据均不利于以660 km为界面的分层地幔对流模型。 4　不利于全地幔对流的证据 虽然板片穿透660km界面得到了地震学观测的支持，但如果穿透660km界面速度大体等于板片俯冲速度，则计算表明在几亿年间上下地幔将被混合而导致它们融合，它们之间的成分差异会消失。 然而，地球化学表明存在两个源区：脱气和亏损了亲石元素的上地幔，及保留耐熔元素、未受俯冲板片影响的下地幔。 4　不利于全地幔对流的证